水力作用下贵州红黏土基本物理力学特性试验研究★

段 岚

(贵州鼎源汇城项目管理有限公司,贵州 毕节 551700)

0 引言

红黏土是由碳酸盐岩在热带、亚热带气候条件下经过物理、化学风化和红土化作用而形成的一种呈褐色、棕红等颜色的高塑性黏土[1],红黏土是一种特殊土类,这种土吸水膨胀、失水收缩,这种特点对红黏土边坡、路基的稳定性造成重大影响。我国对红黏土系统的研究起始于《贵州红黏土的建筑性能》一文的发表[2]。在土木工程领域,红黏土作为一种特殊的土质,因其特殊的工程性质,给基坑支护结构设计带来了诸多挑战。红黏土具有高孔隙比、高液限、低渗透性等特点,这使得它在工程中表现出较强的可塑性和流动性。在基坑开挖过程中,红黏土的这些特性可能会引发边坡滑移、变形等问题,因此,如何对红黏土基坑进行有效的支护成为了工程实践中亟待解决的问题。邓智中[3]以贵阳六广门地下污水处理厂工程为研究背景,在室内岩石试验及现场监测数据的基础上,对下穿隧道截断桩锚支护结构的稳定性进行研究,总结深基坑桩锚支护结构局部截断的研究现状及内力计算方法,通过理论计算和数值模拟这一特殊工况下,周围土体、邻近建筑物以及桩锚结构应力及位移场的变化规律并提出了相应加固措施。针对红黏土边坡稳定性及破坏问题,刘俊红[4]结合某缓坡地形隧道边仰坡滑塌的工程实例,采用工程地质调查、钻探以及钻孔深层水平位移监测等勘探方法查明滑坡特征及性质,对隧道边仰坡滑塌原因进行分析,提出处治方案和建议。郭彪[5]对上甘坪隧道左线出口滑坡体特征及滑动机理分析,阐述了滑坡的地质条件及滑坡体特征,研究了滑坡体的滑动机理,并对隧道出口处滑坡原因进行具体分析。陈鹏等[6]以京山市孙桥镇虎爪山林场红黏土滑坡为研究对象,通过勘查工程中获得的丰富资料,阐述滑坡基本特征,根据滑坡基本特征与成因机理进行稳定性分析并设计治理工程方案。蒋洪等[7]针对红黏土边坡病害现象,采用现场调查、观测与统计的方法,对江西省10条高速公路,6条国道公路总共294处边坡的破坏形式、特点和边坡防护类型、坡高、坡率、稳定性等方面进行调查分析。骆雷[8]分析了晋西部红黏土的物理力学特性及边坡变形特征。吴红刚等[9]对山区机场高填方边坡工程进行了研究,从变形机理和控制技术两方面对机场高填方边坡工程问题进行了深入研究。本文旨在针对某红黏土基坑支护结构进行优化设计分析,提出切实可行的优化方案,确保基坑稳定、安全。本文将遵循工程实践与理论分析相结合的原则,综合运用多种研究方法,力求为解决红黏土基坑支护问题提供有价值的参考。

1 贵州红黏土的特性

1.1 红黏土起源

红黏土主要来自于碳酸盐岩和花岗岩的残积成土作用而成,红黏土的起源主要是由于碳酸盐岩出露地表后的各种风化作用、淋滤作用和红土化成土作用等多重因素影响下而形成的一种具有高塑性、高压缩性、高含水率和低强度的特殊土类。红黏土通常覆盖于碳酸盐岩和花岗岩基岩上,以碳酸盐岩红黏土分部较广,土体中铁铝元素相对集中而外观上呈现红色。 红黏土强度状态一般具有反剖面特性,从上往下由硬变软,在与基岩接触部位甚至表现为流塑状态。在成岩过程中,由于岩石风化颗粒具有较大的比表面积,后期成土作用主要以化学风化为主,在特殊的温暖湿润气候特征作用下,温暖湿润外部环境加速了化学风化作用,经过红土化作用而形成红黏土。

1)饱和硅铝阶段。在这一阶段,土壤中硅铝元素被氧化物和盐类物质饱和或固定,形成硅酸盐、铝酸盐和其他硅铝化合物的过程。这个阶段通常发生在土壤形成的中期和后期,是土壤矿物质形成的重要阶段之一。土壤中的硅铝元素逐渐被氧化和固定,形成稳定的矿物相,如石英、长石、云母等,这些矿物相构成了土壤的骨架,对土壤的理化性质和肥力状况有重要影响。同时,这个阶段也是土壤有机质积累和分解的重要时期,对土壤的碳、氮、磷等元素的循环也有重要影响。

2)酸性硅铝阶段。酸性硅铝阶段是土壤形成过程中的第二个阶段,其特点是硅和铝元素被大量分解和淋溶,形成酸性环境,并在风化壳中相对富集。酸性硅铝阶段通常在湿热多雨地区更容易发生,如中温带、暖温带和北亚热带。在酸性硅铝阶段,碳酸盐岩风化壳中的大量盐类由于受到降雨入渗及地下水位上升等的影响,硅酸盐和铝硅酸盐分解形成的硅酸和铝酸也很快被淋失。因此,风化壳中的阳离子显著减少,而残留在风化壳中的主要是高岭石、伊利石等次生黏土矿物。随着时间的推移,风化壳中的盐基大量淋失,相对地堆积了硅、铝、铁等元素组成的次生黏土矿物。由于氢离子的存在,这个阶段逐渐变为酸性环境。随着这个阶段的进行,土壤的理化性质和肥力状况也会发生相应的变化。

3)铝铁土阶段。在铝铁土阶段,铝硅酸盐黏土矿物进一步分解,形成硅氧化物、铝氧化物、铁氧化物及它们相应的水化物,其矿物成分主要为针铁矿、赤铁矿和水铝矿。铝铁土阶段是土壤形成过程中的一个阶段,其特点是铝和铁元素被大量分解和淋溶,形成富含铝、铁元素的土壤。这个阶段通常发生在热带和亚热带地区,气候炎热潮湿,植被茂盛。在这个阶段,风化壳中的盐类受到大量分解淋溶,硅酸盐和铝硅酸盐分解形成的硅酸和铝酸也很快被淋失。因此,风化壳中的阳离子显著减少,而残留在风化壳中的主要是高岭石、伊利石等次生黏土矿物。

1.2 红黏土分布特征

红黏土是一种特殊的土质,主要分布在南方地区,特别是贵州、广西和云南等地。红黏土主要分布在南方湿润气候区的石灰岩地区,通常被认为是侵蚀和土壤化的结果。通常出现在低洼地区,如山谷、盆地和低丘陵地带。红黏土的形成与母质有关,通常由石灰岩等碳酸盐类岩石经过长时间的风化和侵蚀作用形成。红黏土的分布具有深度和厚度变化的特点。厚度可以从几米到几十米不等,具体取决于原始地形和下伏基岩面的起伏变化。红黏土的颜色通常为红色或黄色,这主要取决于含有的铁氧化物或其他矿物成分的含量。红黏土的红土化作用及分布与地球地质历史变化及区域环境变化密切相关,其形成与分布范围的气候条件为湿热的热带、亚热带,降雨量应在1 000 mm以上,年平均气温为19 ℃～23 ℃。

1.3 贵州红黏土剖面特征

1)红黏土形成地貌条件。在红黏土分布的云贵高原和山区,红黏土分布通常显示出不连续特征,平均厚度较浅,为3 m～8 m,属于典型残积土类型,在部分区域能达到15 m～30 m;红黏土在平原和丘陵地区通常呈现连续分布,一般厚度在10 m～15 m,最厚可到达40 m。在地质垂直剖面上,坡顶和中部红黏土土层一般较薄,在坡脚分布相对较厚;在丘陵间平原及岩溶洼地,红黏土分布较厚。由于红黏土垂直方向沉积原因,导致了红黏土在水平方向上分布表现出严重的不均匀性,在部分区域可能相差数十米。在上部结构作用下更容易产生严重不均匀沉降。

2)母岩岩性及岩溶发育条件。红黏土的母岩岩性主要是碳酸盐类岩石,包括石灰岩、白云岩等。这些岩石经过风化和侵蚀作用后,形成红黏土。在岩溶发育地区,碳酸盐类岩石经过地下水溶蚀和侵蚀作用,形成岩溶地貌。这些岩溶地貌包括溶洞、地下河、石林等。红黏土的母岩岩性和岩溶发育条件密切相关,碳酸盐类岩石的分布和岩溶地貌的形成都受到气候、地形、水文等多种因素的影响。石灰岩和白云岩在我国南方分布较广,由于这两种岩石成分微溶于水,导致这些地区岩溶不同强度发育,基岩表面由于发育不同呈现起伏状态。同时也导致了红黏土地层起伏变化较大,厚度分布不均匀。在垂直剖面上,由于岩溶溶槽溶沟的存在,底部基岩透水性弱等因素,红黏土在垂直剖面上呈现上硬下软的反剖面特征,这是红黏土区别其他特殊土类的重要特征。

2 贵州红黏土基本力学特性分析

2.1 试验研究方案

根据试验分析及后面参数运用需要,本研究拟进行无侧限抗压试验、土样来自于毕节市各个工地。试验方案见表1,取土现场见图1。

表1 试验方案

2.2 基本物性试验及结果分析

2.2.1 密度试验

密度试验的测试有多种方法,本文采用高压固结试样所用的小环刀来进行取样,这样就是在制样的过程中可以直接测试土样的密度,具有简单易操作等优点。

通过环刀法测定试样的密度,由于土样所处的地理位置及水分的不均匀分布,所以至少应取3组试样来进行试验,以保证试样的准确性。相对于其他黏性土来讲,红黏土的天然密度较大。

2.2.2 含水量试验

土样含水量的测试一般采用烘干法,土木建筑工程学院岩土工程实验中心配备了相当完善的试验设备(见图2),完全能够满足我们项目所要进行的实验工作的要求。

通过烘干法测定试样的含水量,同样由于土样所处的地理位置及水分的不均匀分布,所以至少应取3组试样来进行平行试验,以保证试验的准确性。经过我们的测试,得出了两种红黏土天然含水量(质量分数)分别为:56.7%～62.4%,饱和度从94%变化到107%。相对于其他黏性土来讲,红黏土的天然含水量较大,红黏土的这一特性与软土相类似,与黄土有着本质的区别。红黏土的基本物理性质指标见表2。

表2 红黏土的基本物理性质指标

通过以上土性指标可以看出,红黏土作为一种特殊土类,其基本物理性质与其他土类有着明显区别。随着取土深度的增加,土体含水率逐渐增加,土的孔隙比呈逐渐减小的趋势。对比图3—图5,可以看出,红黏土具有典型的反剖面特征。随着取样深度增加,土体含水率逐渐增加,孔隙比逐渐减小,容重逐渐增加。

2.2.3 贵州红黏土直接剪切试验

为了对比不同应力路径下的红黏土力学特性变化,图6—图8给出了水的质量分数为48%的不同红黏土在直接剪切应力作用下剪切强度变化规律,从图6—图8可以看出,几种不同密度及结构状态的红黏土在直接剪切应力作用下剪切强度都满足摩尔库仑定律,属于典型的剪切屈服破坏材料,剪切屈服面在p-q偏平面上呈线性特征。图9给出了几种不同结构状态红黏土的剪切屈服强度线的对比分析,从图9可以看出,各种结构状态红黏土在直剪应力状态下,其屈服破坏特性变形出很好的相似性,具有良好的相关性。

图10—图12给出了红黏土颗粒间的胶结形态及剪切行为过程中土样剪切破坏机理及胶结键破坏原理。从图10—图12可以看出,红黏土剪切强度的来源除了土颗粒间的摩擦强度之外,更重要的是由颗粒间胶结的强弱所决定。

整理所试验土样的强度参数如表3所示,从强度指标表中可以看出,对比不同含水率不同区域红黏土的c与φ值,其中原状样的强度指标高于重塑样,重塑样的指标要高于原状饱和样,这一规律对所有试样都适用,说明了结构的强弱对土体抗剪强度有着重要的作用。原状红黏土受到加荷、扰动和浸水作用,释放其结构势,破坏结构的联结和排列,形成不同形态的红黏土土样:受加荷与扰动作用形成重塑土样;受浸水作用形成原状饱和土样。表中原状、重塑及原状饱和样的c值变化较大,重塑样的c值处于原状样与原状饱和样之间。

表3 试验土样强度指标表

3 结语

在水力的作用下,贵州红黏土的水理性质发生了显著变化,随着含水率的增加,红黏土的颗粒间的摩擦力减小,导致其呈现出较为明显的软化现象。在含水率增加条件下,贵州红黏土的抗剪强度明显降低,这主要是因为水分子在土颗粒表面形成了一层润滑膜,减少了颗粒间的摩擦力,在水力作用的时间和强度不断增加的情况下,红黏土的抗剪强度逐渐减小,表现出显著的剪切软化特性。